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Missing North Atlantic cyclonic precipitation in ECMWF numerical weather prediction and ERA-40 data detected through the satellite climatology HOAPS II

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Abstract:

Intense precipitation associated with wintertime North Atlantic cyclones occurs not only in connection with frontal zones but also, and often mainly, embedded in strong cold air outbreaks to the west of mature cold fronts. Coherent structures of cloud clusters organized in mesoscale postfrontal low-pressure systems are frequently found in satellite data. Such postfrontal lows (PFL) can develop into severe weather events within few hours and can even reach Europe causing intense convective rainfall and gale force winds. Despite predicting the major storm systems numerical weather prediction (NWP) additionally needs to account for PFLs due to their frequent occurrence connected with high impact weather. But while the major cyclone systems are mostly well predicted, the forecast of PFLs remains poor. Using North Atlantic weather observations from the 1997 Fronts and Atlantic Storm Track Experiment (FASTEX) along with the standard voluntary observing ship (VOS) data led to a high quality validation data set for this usually data sparse region. For individual case studies of FASTEX cyclones with mesoscale PFLs investigations were carried out using the well calibrated precipitation estimates from HOAPS (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and fluxes from satellite data) compared to the NWP model output of the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Preceding studies showed that the HOAPS precipitation structure and intensities are in good agreement with the VOS observations for all observed precipitation types within the cyclones, including PFLs. To assure that the results found in the 1997 data are still valid in the more recent ECMWF model system, a PFL rainfall comparison is carried out using HOAPS and ERA-40 (ECMWF Re-Analysis) data for the winter of 2001 and 2002. The results indicate that the ECMWF model is mostly well reproducing precipitation structures and intensities associated with frontal systems as observed in the VOS and HOAPS data, whereas PFL precipitation is mostly missing. Further investigations within the regions of PFL point out that the VOS observed surface pressure is systematically lower than reproduced in the models. This leads to the conclusion that the missing PFL precipitation in ECMWF may be primarily due to the absence of the corresponding mesoscale low-pressure system.

German
Intensive Niederschläge in nordatlantischen Tiefdruckgebieten existieren, vor allem im Winterhalbjahr, nicht nur in den Frontalzonen sondern auch innerhalb der Kaltluftausbrüche auf der Rückseite von Kaltfronten. Hier entstehen häufig stark konvektiv geprägte mesoskalige Tiefdruckgebiete (PFL) die innerhalb weniger Stunden zu intensiven Wettererscheinungen heranwachsen können. Diese erreichen zum Teil auch den europäischen Kontinent und können dort zu Orkanen mit Starkregen führen. Die Aufgabe der numerischen Wettervorhersage ist somit neben der Erfassung der großskaligen Tiefdruckgebiete zunehmend auch diese kleinräumigen wetterintensiven Störungen zu erfassen und korrekt vorherzusagen. Während ersteres inzwischen zufriedenstellend gelingt, ist die Modellerfassung und Vorhersage von PFLs nach wie vor unzureichend. Ein umfangreicher Datensatz von Schiffswetterbeobachtungen (VOS) zur Validierung von Niederschlägen wurde während der FASTEX Feldkampagne im Februar 1997 von Forschungs- und Handelsschiffen gewonnen. Hierbei standen vor allem auch Daten in Regionen zur Verfügung, die einerseits sonst nur selten von Schiffen befahren werden und anderseits häufig PFLs aufweisen. 10 PFL Ereignisse konnten in diesem Zeitraum untersucht und mit Daten des EZMW (Europäisches Zentrum für Mittelfristvorhersage) und der Satellitenklimatologie HOAPS (Hamburg Ocean Atmosphere Parameters and fluxes from Satellite data) verglichen werden. Vorausgehende Studien belegen, dass die Niederschlagsmuster und -Intensitäten der HOAPS Klimatologie in guter Übereinstimmung mit den beobachteten Niederschlägen der VOS Daten sind. Zusätzlich wurden EZMW ERA-40 Reanalysedaten für den Winter 2001/2002 herangezogen um zu prüfen, ob das neuere Modellsystem, respektive aktuellere Fälle, dasselbe Verhalten zeigen wie die untersuchten Fälle aus 1997. Die Ergebnisse zeigen, dass das EZMW Modell frontale Niederschlagsstrukturen und -Intensitäten, in Übereinstimmung mit den VOS und HOAPS Daten, zumeist zuverlässig erfasst. Dagegen fehlen die beobachteten mesoskaligen PFL Niederschläge zumeist gänzlich. Detaillierte Untersuchungen in den PFLs zeigen, dass der beobachtete VOS Bodendruck systematisch erheblich niedriger ist als vom Model repräsentiert. Dies führt zu der Folgerung, dass der fehlende Modellniederschlag in den PFLs primär eine Folge des zu schwach entwickelten Modelltiefdrucks sein kann.

Document Type: Research Article

DOI: https://doi.org/10.1127/0941-2948/2005/0088

Publication date: 2005-12-01

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